La réfraction

Le Sport : Messages de la lumière
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But de la manipulation :
 Comprendre le comportement du rayon lumineux à
l’interface de deux milieux .
 A l’occasion d’une méthode d’étalonnage, établire les lois de
Descartes de la « réfraction de la lumière » qui fondent l’ « optique géométrique ».
 Introduire l’ « indice de réfraction », caractéristique d’une espèce chimique et le
« réfractomètre » qui le mesure.
I. Une première loi : La réflexion
le « disque de Péchard »
On dispose d'une source lumineuse et d'un
disque optique sur lequel on a une graduation en degrés. Sur ce disque, on dispose un miroir.
─ Régler la source lumineuse de façon à ce que
la trace du faisceau lumineux soit alignée sur
la ligne « 0 - 0 » du disque optique.
─ Placer le miroir au centre du disque optique
et perpendiculaire au faisceau lumineux.
─ Faire tourner le disque optique de 5° en 5° et
noter l'angle du faisceau incident par
rapport à l'axe 0-0 et l'angle du faisceau
réfléchi par rapport à l'axe 0-0.
Incident (i1)
0 °
5 °
10 °
15 °
20 °
Réfléchi (r)
─ la première loi de Descartes entre i et r, loi de la réflexion et commenter le schéma
qui vous est proposé :
La réfraction de la lumière :
Les lois de Snell – Descartes
On appelle dioptre la surface séparant deux milieux
transparents. Si la lumière se propage en ligne droite dans un
milieu homogène et isotrope, elle est déviée lors du passage
d'un dioptre : il y a réfraction.
De façon générale, il y a à la fois réfraction et réflexion : une
partie de la lumière est réfléchie à la surface du dioptre et
l'autre partie est réfractée lors de son passage dans l'autre
milieu.
Objet
Image

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II. Une seconde loi : La réfraction
La réfraction air – plexiglas
Placer désormais le demi-disque en Plexiglas sur le disque optique.
─ Aligner le faisceau lumineux sur le « 0 – 0 » du disque.
─ Faire tourner le demi-disque de 5° en 5° et noter les angles de réfraction.
Incident (i1)
0 °
5 °
10 °
15 °
20 °
25 °
30 °
35 °
Réfracté (i2)
sin(i1)
sin(i2)
─ Tracer la courbe représentant sin(i2) en fonction de sin(i1).
─ Déterminer le coefficient directeur de la droite ainsi obtenue.
─ Conclure en donnant la seconde loi de Descartes entre i1 et i2,
loi de la réfraction.
La réfraction plexiglas – air
─ Commenter « le plexiglass est
plus réfringeant que l’air, le
rayon réfracté se rapproche de
la normale ».
─ Rechercher l’angle de rélfexion totale il.
III. Le réfractomètre
La détermination de l'indice des liquides est une méthode d'analyse indirecte très utilisée dans
l'industrie. On trouve dans le commerce de nombreux réfractomètres comportant une
graduation spécifique pour un liquide donné. Pratiquement tous les réfractomètres sont
dérivés du réfractomètre d'Abbe.
Un parallélépipède de verre d'indice N aussi élevé que possible a sa face supérieure et sa face
gauche soigneusement polies. On forme ainsi un prisme d'angle au sommet A.
Sur la face supérieure du prisme, on dépose une goutte du liquide à étudier. On suppose que
l'indice n du liquide est inférieur à l'indice N du prisme. Avec une source étendue
monochromatique, on éclaire la goutte. Il est essentiel que des rayons tangents à la face
supérieure du prisme arrivent sur la goutte. Pour ce rayon, l'incidence sur le prisme est 90°.
L'angle maximum de réfraction dans le prisme est
donc i avec n = N sin (i) .
Ce rayon limite arrive sur la face droite du prisme
avec une incidence r = 90° - i. Il émerge avec
l'incidence j telle que sin (j) = N. sin(r).
Si avec un viseur dont l'axe optique fait l'angle
k avec l'horizontale on examine la goutte, pour les
valeurs de k inférieures à j, on observe un champ
noir car aucun rayon ne parvient au viseur.
N = 1,620

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Pour les valeurs supérieures, on a un champ éclairé. Pour k = j, une moitié du champ est noire
et l'autre éclairée.
IV. Une géométrie très cartésienne
n = 1,3
n = 1,0
À partir du schéma ci-
dessous, retrouver les lois
de la réfraction pour un
dioptre air - eau (n = 1.33)